一种风电机组塔筒结构变形的监测装置及方法

技术领域

本发明涉及风电机组运行监测领域，具体涉及一种风电机组塔筒结构变形的监测装置及方法。

背景技术

风电机组在运行过程中，其塔筒不仅承受风机主机和叶轮的重力载荷，同时承受着由于叶轮和主机横向推力载荷。同时风电机组由于本身属于旋转机械，受来流交变风速和湍流的影响，使得塔筒承受着重力、横向推力、扭曲和弯矩等复杂多变的载荷。塔筒结构在复杂多变的载荷下将发生一定幅度的变形振动。交变载荷下，变形的振幅和频率不仅影响风电机组的发电效率，而且在循环加载下，在某点或某些点产生局部的永久性损伤，并在一定循环次数后形成裂纹、或使裂纹进一步扩展直到完全断裂的现象，造成严重的倒塌事故。

疲劳破坏是一种损伤积累的过程，因此它的力学特征不同于静力破坏。不同之处主要表现为在循环应力远小于静强度极限(见材料的力学性能)的情况下破坏就可能发生，但不是立刻发生的，而要经历一段时间，甚至很长的时间；而且疲劳破坏前,即使塑性材料(延性材料)有时也没有显著的残余变形。因此，塔筒结构变形的实时监测装置是避免塔筒结构疲劳的有效方法。

常规的塔筒变形监测装置一般为接触式，需要将应变测量装置与发生形变的物体连接在一起，因此使测量仪本身也发生形变。通过各种方法，如电阻，电容或电感的变化将形变转化为能够方便进行测量的电物理量的变化。由于风电机组一般处于极端恶劣环境中，高温、极寒、腐蚀、盐雾不仅影响测量的精度而且容易造成电阻，电容或电感等装置的损坏。

发明内容

针对上面所述传统的接触式应变测量装置容易在极端环境条件下损坏的问题，本发明提出一种利用反射激光光源的方法来监测风电机组塔筒结构变形情形，适用于所有恶劣环境下。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种风电机组塔筒结构变形的监测装置，包括安装于风电机组塔筒内的激光器以及安装在塔筒顶部位置的光电接收器，光电接收器与水平面呈垂直状态，固定在塔筒顶部的内壁，光电接收器布置在塔筒内与激光器相对的一侧。

塔筒内壁上的若干反射镜，反射镜沿着塔筒布置有两列，两列反射镜错位布置。

反射镜与水平面呈垂直状态。

反射镜采用圆形，反射镜的直径为塔筒直径的1/100。

反射镜的数量3-6个。

激光器固定在风电机组的基础上，激光器的激光光线与水平面之间得夹角为θ。

激光器通过光纤网络连接海上风电监测中心。

激光器布置在靠近塔筒内壁的位置。

本发明还提供一种风电机组塔筒结构变形的监测方法，基于本发明所述监测装置，激光器发射激光光线，经过反射镜反射至光电接收器，风电塔筒顶部发生变形位移Δs，光电接收器产生上下位移变化Δh，根据下式计算出风电塔筒顶部发生变形位移Δs：

θ为激光光线与水平面之间的夹角。

连续获取光电接收器产生上下位移变化Δh。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

风电的塔筒与风电机组底部基础的接触处无变形，而与风电机组叶轮和发电机的接触处横向位移最大，当然即使最大的位移变形，其数值也很小，难以测量；将激光器安装在塔筒内部，塔筒内的环境使得该检测装置免受平时风吹日晒的影响，而且本发明所述装置不会发生器件的疲劳失效，而且基于激光信号的测量更加准确可靠，器件布置在塔筒内，不会受到外界环境影响；基于本发明所述装置，能为计算变形提供精确的监测数据。

进一步的，将激光器安装风电机组的底部基础的上，基础相对固定，能提高监测精度。

进一步的，在塔筒内部安装若干个平面镜，将激光器的光源打在平面镜上，利用平面的反射原理，起到了放大器的作用，将机组塔筒结构变形进行了放大，便于更加准确的测量。

基于本发明所述装置，首先捕捉到光电接收器的位移，利用所述位移与塔筒变形之间的函数关系，便可以准确地计算出风电机组塔筒结构变形大小。

进一步的，获取位移Δh变化的时间序列值，还可以得到塔筒振动情况。

附图说明

图1风电机组塔筒结构变形的监测原理。

图2塔筒变形的状态及计算方法。

1-叶轮和主机，2-风电机组塔筒，3-基础，4-激光器，5-反射镜，6-光电接收器。

具体实施方式

下面结合附图1、附图2和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

一种风电机组塔筒结构变形的监测装置，包括安装于风电机组塔筒2内的激光器4以及安装在塔筒顶部位置的光电接收器6，光电接收器6与水平面呈垂直状态，固定在塔筒2顶部的内壁，光电接收器6布置在塔筒内与激光器4相对的一侧。

塔筒内壁上的若干反射镜5，反射镜5沿着塔筒2布置有两列，两列反射镜5错位布置。

反射镜5与水平面呈垂直状态。

反射镜5采用圆形，反射镜5的直径为塔筒直径的1/100。

反射镜5的数量3-6个。

激光器4通过光纤网络连接海上风电监测中心。

激光器4布置在靠近塔筒内壁的位置。

如图1所示，一种风电机组塔筒结构变形的监测装置，激光器4安装于风电机组塔筒2的内部，并固定在风电机组的基础3上保持静止状态，不受机组塔筒弯曲、扭转、晃动的影响，塔筒内壁上布置若干反射镜5；反射镜5沿着塔筒2布置有两列，两列反射镜5错位布置，激光器4发出激光，打在安装于塔筒内部壁面上若干反光镜5上，并反射至塔筒顶部的光电接受器6上。

一般来说，在来流风的吹拂的影响下，风电机组的塔筒会在主风向方向上摇摆变形。塔筒2底部与基础3安装的位置，可以认为是固定不动状态，而塔筒2顶部与叶轮和主机1组合的位置，变形位移Δs最大。当然，即使最大的变形的数值也很小，难以测量出来的。

如下图2所示。风电塔筒2的顶部在发生风向方向发生Δs变形位移时，风电塔筒2上光电接收器6的位置会随着塔筒2的变形而产生更加明显的上下位移变化Δh。因此增加若干反光镜5的目的为增加激光从激光器4出发至光电接收器6之间的路程，从而起到了对塔筒变形位移量的放大或缩小作用。

其中塔筒2顶部的变形位移Δs与光电接收器6上激光电的位移Δh之间的关系如下为：

其中θ为激光光线与水平面之间的夹角，为固定值。通过测量和记录光电接收器6上的位移Δh，便可以方便地计算出塔筒的风电机组塔筒结构变形的位移Δh。进一步记录位移Δh变化的时间序列值，还可以得到塔筒振动情况。